拓扑结构调控活性双乳液中的流动模式：从自驱动运动到三维缺陷动力学

本研究通过数值模拟揭示了活性双乳液的形态和时空动力学特征，解决了活性物质在受限几何结构中拓扑控制与流动模式调控的关键问题。研究人员构建了包含被动核心的活性向列相液滴系统，发现活性强度(ζ)可诱导从平移运动到旋转运动的转变，并在双核心体系中观察到带电向错环(disclination loop)的动态重组。该研究为设计可控的自驱动材料和理解细胞尺度拓扑动力学提供了新范式。

　　

在软物质和生物物理系统中，活性向列相(active nematics)因其独特的自组织特性备受关注。这类系统通常由细胞骨架蛋白(如微管蛋白microtubules)与分子马达(如驱动蛋白kinesin)组成，能够产生自主运动。然而，传统研究多集中于非受限体系，对三维受限环境下活性物质的拓扑控制与流动模式调控仍存在重大知识空白。特别是在具有多重界面的双乳液(double emulsion)体系中，如何通过几何约束和活性应力协同调控缺陷动力学，成为理解活性物质自组织行为的关键科学问题。

爱丁堡大学(University of Edinburgh)的研究团队通过多相场模型(multi-phase field model)结合三维混合格子玻尔兹曼方法(3D hybrid lattice Boltzmann method)，系统研究了具有垂直锚定(homeotropic anchoring)的活性双乳液体系。研究发现，单核心乳液在低活性(ζ≈10^-3-3×10^-2)下呈现缺陷自由(defect-free)的平移运动，其速度与活性强度呈线性关系；中等活性(ζ≥3.5×10^-2)时转变为旋转态；更高活性(ζ≥5.5×10^-2)则出现混沌振荡。双核心体系则表现出更丰富的拓扑行为：低活性下形成带电向错环(charged disclination loop)，其局部结构包含+1/2和-1/2缺陷剖面；高活性下向错环发生三维扭曲(writhing)和拓扑重组，产生类似"活性活体聚合物"(living active polymer)的动态。该成果发表于《Nature Communications》，为设计可控拓扑活性材料提供了理论框架。

关键技术包括：(1)采用相场变量?_i描述乳液界面动力学，通过Cahn-Hilliard方程控制相分离；(2)使用Q张量表征向列相取向，通过Beris-Edwards方程耦合流体动力学；(3)引入活性应力项ζQ_αβ模拟微管-驱动蛋白系统的伸展特性；(4)设置强锚定条件(WR_i/κl_i>1)确保垂直取向；(5)通过Ericksen数(Er=ζ(R₂-R₁)²/κ)量化活性与弹性的竞争效应。

平衡态下的被动双乳液

通过设置半径R₁=16和R₂=32的球状液滴，系统在强锚定条件下形成径向指向的向列相构型。双核心体系会自发产生静态向错环，其拓扑电荷符合Poincaré-Hopf定理要求。

平移运动机制

当活性Ericksen数Er≥1时，单核心乳液沿内核对初始位移方向做直线运动。流场分析显示两对反向旋转的涡流是主要驱动力，内核对流场的反馈导致液滴呈梨形变形(pear-like shape)。表面张力σ的增加会延迟运动转变阈值但保持机制不变。

旋转与混沌态

Er≥32时系统进入旋转态，单个涡流主导内核对圆周轨迹的追踪。值得注意的是，与常规活性液滴不同，该旋转无需手性贡献即